汽車行業(yè)中機器人的設(shè)計和應(yīng)用集中在方法、工具和步驟上，機器人技術(shù)的不斷發(fā)展讓工廠的管理者們降低成本，同時加強質(zhì)量和生產(chǎn)力。另外，特別是在美國，制造和裝配系統(tǒng)、工廠安全和可靠、實時性能的評估和控制變得異常重要。因為，由汽車機器人停機所造成的損失每分鐘可達5000～10000美元，有的甚至高達20000美元。
為了滿足實際生產(chǎn)中的各種需求，對于機器人工作站和生產(chǎn)線，人們也必須給予更多的關(guān)注。根據(jù)對美國
Rockwell自動化公司、GM汽車公司的觀察分析，這些需求從高到低可以總結(jié)為以下幾點：
□ 通過在機器人、焊接手臂和安全網(wǎng)絡(luò)中建立單個數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)連接，來減少機器人以及機器人的周邊線束和相關(guān)成本。這將會帶來連接到儀器、工作站控制器并接入服務(wù)器的接線數(shù)量大量減少，讓設(shè)計師們看到成本的降低和生產(chǎn)率的增加。例如，圖1展示了一個聯(lián)網(wǎng)的機器人汽車焊接生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，這是帶有一個生產(chǎn)線和工作站層面的解決方案，并且聯(lián)網(wǎng)的傳感器滿足了圖中下方列出的大部分需求。正如圖中所示，最高等級的網(wǎng)絡(luò)需求由車身車間的以太網(wǎng)絡(luò)來滿足，它連接了各種有效地運行數(shù)字工廠所必要的系統(tǒng)管理和生產(chǎn)工具。這一級下面是線級，它指的是一系列的機器人工作站或者歸入線的工作臺，如在汽車組裝廠中的一條機器人焊接生產(chǎn)線。這條線可以由Line ControlNet或者Ethernet來控制。使用哪種協(xié)議來控制取決于速度和服務(wù)的需求。在工作站中，考慮到伺服機器人控制器和周邊設(shè)備、材料傳遞、零件抓取和其他的控制、傳感和可視化通訊等需求，我們找到了ControlLogix-linked Cell ControlNet以及DeviceNet網(wǎng)絡(luò)。重要的是，這種結(jié)構(gòu)的好處在于ControlLogix的路徑建立了新系統(tǒng)，為現(xiàn)有的工作站和線創(chuàng)造了附加值，并且其他的更改相對簡單。
圖1 聯(lián)網(wǎng)的機器人汽車焊接生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
□ 由于滿足了實時性、機器人分散過程數(shù)據(jù)的收集以及機器人周邊設(shè)備以及焊接手臂的需求，質(zhì)量和生產(chǎn)率將會得到提高。例如，通過在控制器和傳感器以及其他數(shù)據(jù)收集儀器之間使用ControlNet和DeviceNet協(xié)議，各種聯(lián)網(wǎng)的儀器都可以使用Ethernet這種更快、更低級的網(wǎng)絡(luò)。
□ 實時性保證了機器人過程數(shù)據(jù)、系統(tǒng)健康檢查以及網(wǎng)絡(luò)通訊可以運行（包括周期運行時間、空閑時間、堵塞狀態(tài)、夾取和自動工具狀態(tài)等）。這將減少成本，增加安全性，提高生產(chǎn)率。由傳感器控制的零件追溯和建立的日程表支持了網(wǎng)絡(luò)，并且滿足了由客戶命令驅(qū)動的商業(yè)模式，還可以在生產(chǎn)過程中接受指令。在需要的時間內(nèi)以及動態(tài)變化的市場環(huán)境中，它提供了一種能夠進行實時性能評估和帶有整體式傳感器反饋過程的控制模式，另外還有為操作員和管理者提供的由實時傳感器驅(qū)動的計算機識別，特別是3D。 例如，非接觸式測量固體或者液體的
超聲波傳感器能夠很好地滿足這一需求。超聲波傳感器適用于許多的應(yīng)用場合，其中典型的工業(yè)應(yīng)用包括汽車、物流、包裝和食品處理。
□ 網(wǎng)絡(luò)中的機器人、機器人工作站和工作臺的編程和配置控制，這會減少成本、增加產(chǎn)量。
□ 引入柔性化制造/組裝/焊接系統(tǒng)來降低成本、提高質(zhì)量和生產(chǎn)率。
□ 通過動態(tài)平衡、實時、精益安排和增加并行處理的數(shù)量，縮短生產(chǎn)周期。
□ 解除耦合的輸送系統(tǒng)，能夠提升柔性和生產(chǎn)率，帶來更為簡單的維修。
□ 安全保護系統(tǒng)保證機器人工作站/臺/線不會因為外部或者偶然事故而停機。
□ 高級生產(chǎn)力工具的使用，從概念到產(chǎn)品和生產(chǎn)過程的集成，包括CAD到車間級集成工具、機器人程序發(fā)生器、實時性質(zhì)量保證工具、實時性性能評估和控制工具等變得更好。
從上面列出的需求中可以看出，為了保證汽車機器人系統(tǒng)在高效率下運行，我們需要實時的控制以及網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)字工廠。其中性能分析和機器人工作站/臺/線管理基于實時性數(shù)據(jù)，資源的配置基于動態(tài)的客戶需求，人和機器都被授權(quán)根據(jù)需求來修改動作計劃。圖2為工作中的機械手。
圖2 工作中的機械手
降本的同時提高安全性、質(zhì)量和生產(chǎn)力
如上所述，實時性質(zhì)量的保證、過程監(jiān)視、工作場地的安全是終端用戶最關(guān)心的問題。因此汽車和其他重點的制造商們必須引入整體安全計劃，作為他們?yōu)檎麄€質(zhì)量管理而努力的一部分。這里將介紹一些新型的汽車生產(chǎn)中專為各種實時性質(zhì)量保證、過程監(jiān)視和安全目的而設(shè)計的傳感器。
□ 防熔渣傳感器
汽車機器人焊接的環(huán)境對于附近的傳感器來說是最惡劣的。AB公司的871P Weld Field Immune（WFI）VersaCube系列的最新版本的傳感器就是為適應(yīng)這種惡劣的焊接環(huán)境而設(shè)計的。令這些新產(chǎn)品脫穎而出的是它創(chuàng)新的焊接熔渣防護外殼，可以防止焊接飛濺的熔渣聚集和附著在儀器表面上。還有其它的一些相關(guān)問題，包括物理傷害或者將內(nèi)部零件“熔穿”。
一個非常方便的安裝底座使得WFI VersaCube 產(chǎn)品易于安裝和維修。擁有正常的I/O輸出，以及對所有金屬相同的探測距離，無外殼式WFI VersaCube還擁有35mm探測距離，超過了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的25mm。
□ 壓力、溫度和流量開關(guān)
AB公司的836E、837E和839E產(chǎn)品的壓力、溫度和流量開關(guān)，分別由于新零件的出現(xiàn)而適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境中。它們都是固態(tài)條件下的傳感器，完全替代了現(xiàn)有生產(chǎn)線上的機電式壓力和溫度開關(guān)。所有的型號都是304不銹鋼制成，帶304不銹鋼外殼和4位LCD顯示器。全部
壓力傳感器的測量范圍都是從真空至5800 psi（1psi=6.89kPa）；
流量傳感器能夠測量液體從0～300 cm/s，氣體0～3000 cm/s；單個的溫度模塊的測量范圍從-50～+150℃。每一個產(chǎn)品都是PNP雙開關(guān)輸出，帶有可編程的起始原點，通過內(nèi)置的編程按鈕或者Windows系統(tǒng)的配置軟件都可以方便地設(shè)定。
未來的趨勢
未來系統(tǒng)將更加依靠安全PES（PLC）、網(wǎng)絡(luò)和集成式儀器來達到降低成本和提高性能的目標(biāo)。應(yīng)該引起注意的是，幾乎每一個汽車機器人控制儀器都受到了安全規(guī)范的沖擊（例如，驅(qū)動、行動控制系統(tǒng)和儀表、I/O、PLC、網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、傳感器等）。這是由于集成式的安全解決方案是增效降本的關(guān)鍵。未來，在技術(shù)方面，傳感器及其網(wǎng)絡(luò)使用的更加智能的感應(yīng)傳送器會帶來新的、實時性控制的、分散式安全和質(zhì)量意識的趨勢。正如SMG（國際對象管理集團）所定義的那樣，智能傳感器（ST）可能由一個集成式單元硬件或者軟件儀器構(gòu)成，該儀器由一個傳感器或者執(zhí)行器單元、一個微型控制器、通信控制器以及用來信號調(diào)節(jié)、校正、診斷和通訊的軟件構(gòu)成。ST通過界面將服務(wù)傳遞給客戶。對ST界面的定義為公用對象請求代管者體系結(jié)構(gòu)（Common Object Request Broker Architecture），在集散控制系統(tǒng)方面提供了訪問實時性服務(wù)的界面、診斷和管理界面、配置和設(shè)計界面的能力。通過對各種不同的傳感器界面進行標(biāo)準(zhǔn)化，這種描述讓I/O編程變得更加簡單，并且降低了分散式車用機器人和其他任務(wù)的控制系統(tǒng)的成本。
